Vanochtend is bekendgemaakt dat de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2016 gaat naar drie wetenschappers die zich bezig hebben gehouden met vreemde toestanden in materie.

Vanaf vandaag mogen David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz zich rekenen tot het illustere gezelschap van de Nobelprijswinnaars. Zij krijgen samen de natuurkundeprijs omdat ze, in de woorden van het Nobelcomité, “de deur openden naar een onbekende wereld waarin materie vreemde toestanden kan aannemen”.

Draaikolkjes

Thouless en Kosterlitz besloten begin jaren zeventig hun pijlen te richten op een toen geaccepteerd idee: dat bepaalde, bijzondere veranderingen in driedimensionale materie niet kon plaatsvinden in tweedimensionale materie (oftewel: een oneindig dun vlak).

Het ging daarbij om een soort ‘draaikolkjes’ in materie; bij lage temperaturen vormden die een koppel dat stevig met elkaar verbonden is, terwijl die bij hogere temperaturen uit elkaar dreven. Die overgang zou in een plat vlak niet moeten plaatsvinden, maar doet dat toch, zo lieten Thouless en Kosterlitz zien. Deze overgang werd later de Kosterlitz-Thouless- of KT-transitie gedoopt. Die ging een centrale rol spelen in het natuurkundige vakgebied van de gecondenseerde materie.

Boetseerklei

David Thouless deed opnieuw van zich spreken in 1983. Toen hield hij zich bezig met het quantum-hall-effect. Dat houdt in dat als je een dun geleidend laagje tussen twee halfgeleiders plaatst, het geheel vervolgens flink afkoelt én in een sterk magnetisch veld plaatst, de elektrische geleiding van dat laagje maar bepaalde waardes kan aannemen. Maak je bijvoorbeeld het magnetisch veld geleidelijk minder sterk, dan blijft de geleiding een tijdlang gelijk, om vervolgens ineens te verdubbelen. Begin jaren tachtig begreep niemand hoe dat kon.

Thouless loste dat probleem op door – net als eerder met Kosterlitz – gebruik te maken van topologie. Dit is een tak binnen de wiskunde die weleens wordt omschreven als ‘boetseerklei-wiskunde’: je mag objecten vervormen, zolang het aantal gaten erin maar gelijk blijft. Een kopje met een oor – één gat – is binnen de topologie gelijkwaardig aan een ring – ook één gat – maar niet aan een kopje zonder oor (geen gat) of een bril (twee gaten). Gaten toevoegen of weghalen kan ook, maar dat is een stapsgewijs proces: je gaat van één naar twee gaten; je hebt niet ‘anderhalf gat’. En door van die wiskunde gebruik te maken, kon Thouless de plotselinge stappen in geleiding in het quantum-hall-effect verklaren.

Duncan Haldane, de derde Nobelprijswinnaar, paste eveneens in de jaren tachtig topologie toe op ééndimensionale materialen, in de vorm van ketens van magnetische moleculen. Daarmee kon hij hun bijzondere eigenschappen verklaren.

Quantumcomputer

Natuurkundige Kareljan Schoutens (Universiteit van Amsterdam) noemt het werk van Thouless, Kosterlitz en Haldane “enorm belangrijk voor ons moderne begrip van allerlei soorten materialen”. Die kennis kan worden toegepast op tal van gebieden, zegt hij: zonnecellen, elektronica, computergeheugen… Ook veel van het werk dat wordt gedaan aan de langverwachte quantumcomputer borduurt voort op de vindingen van het drietal.

Schoutens verwacht dan ook dat er in de toekomst nog wel meer Nobelprijzen naar dit vakgebied zullen gaan. Hij denkt daarbij met name aan de Amerikaan Charles Kane, die de afgelopen jaren al een aantal andere natuurkundeprijzen in de wacht sleepte.

Geen slechte week

En Ronald Hanson dan, de wetenschapper van de TU Delft die wij tipten voor de Nobelprijs van dit jaar? Die zal nog wat langer op zijn ticket naar Stockholm moeten wachten. Toch heeft Hanson allesbehalve een slechte week. Gisteren kreeg hij namelijk de Huibregtsenprijs van 2016, wat toch ook maar mooi 25.000 euro oplevert.

Bron: persbericht Nobelprize.org, uitleg Nobelprize.org (PDF)

Beeld: Niklas Elmehed/Nobelprize.org